哈氏合金C－276與16Mn異種合金對(duì)接焊縫射線檢測(cè)

潘杰軍，潘 敏

（1.江蘇省溧陽(yáng)市云龍?jiān)O(shè)備制造有限公司，溧陽(yáng) 213311；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院，常州 213016）

哈氏合金C－276是一種含鎢的鎳－鉻－鉬合金，因其較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性，而廣泛應(yīng)用于石油化工、造紙、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域等苛刻的腐蝕環(huán)境中。制作壓力容器零部件時(shí)，經(jīng)常采用哈氏合金與低合金鋼連接的異種鋼對(duì)接焊接接頭形式。由于兩種材質(zhì)對(duì)X 射線衰減特性差異較大，導(dǎo)致射線檢測(cè)時(shí)透照曝光參數(shù)選擇出現(xiàn)問題。

1 射線衰減特性分析［1］

X 射線在穿透物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用而強(qiáng)度減弱，部分射線方向發(fā)生改變。在常規(guī)工業(yè)X射線使用的能量范圍（100～350kV）內(nèi)，射線通過物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度衰減遵循指數(shù)規(guī)律。

射線的衰減情況不僅取決于輻射自身的性質(zhì)，還與吸收物質(zhì)的性質(zhì)和厚度有關(guān)。當(dāng)射線通過單位厚度物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)相互作用的概率用線衰減系數(shù)μ來(lái)表示。線衰減系數(shù)μ與射線能量、物質(zhì)的原子序數(shù)和密度有關(guān)。

影響X 射線衰減系數(shù)的因素較多，為簡(jiǎn)化不同物質(zhì)衰減系數(shù)的比較，將線衰減系數(shù)μ除以物質(zhì)密度ρ的結(jié)果用質(zhì)量衰減系數(shù)μm來(lái)表示，這樣便于比較對(duì)于不同物質(zhì)衰減系數(shù)與原子序數(shù)及射線能量的關(guān)系。

當(dāng)使用相同能量的X 射線，穿透相同厚度的不同物質(zhì)時(shí)，穿透物質(zhì)的X 射線強(qiáng)度就僅取決于不同物質(zhì)的原子序數(shù)。物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)與物質(zhì)原子序數(shù)存在式（2）所示的關(guān)系。

式中：I為穿透物質(zhì)后的射線強(qiáng)度；I0為穿透物質(zhì)前的射線強(qiáng)度；μ為線衰減系數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)的底；T為穿透物質(zhì)的厚度；μm為質(zhì)量衰減系數(shù)；Z為物質(zhì)原子序數(shù)；k為常數(shù)；n為質(zhì)量衰減系數(shù)與原子序數(shù)的相關(guān)性常數(shù)，介于2.45～2.7之間。

某類壓力容器，公稱直徑DN 不小于250 mm的哈氏合金筒體與低合金鋼鍛件對(duì)接焊縫，要求進(jìn)行100%射線檢測(cè)并Ⅱ級(jí)合格。哈氏合金材料牌號(hào)為C－276［2］，低合金鋼鍛件牌號(hào)為16MnⅢ［3］，焊材為ERNiCrMo－4，焊接方法為手工氬弧焊。兩種金屬材料、焊接材料以及焊接后形成的焊接接頭的三個(gè)部位（C－276母材、焊縫金屬、低合金母材）的化學(xué)成分不同，各化學(xué)元素的原子序數(shù)不同。焊接接頭不同部位對(duì)X 射線的衰減系數(shù)產(chǎn)生的影響不同。

根據(jù)所含元素的質(zhì)量百分含量及相應(yīng)的原子序數(shù)，由式（3）計(jì)算工件不同部位的平均原子序數(shù)。C－276的平均原子序數(shù)為1＝31.1，16MnⅢ的平均原子序數(shù)為2＝25.9，焊縫金屬的平均原子序數(shù)為3＝30.5。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明焊縫金屬與C－276的平均原子序數(shù)差異較小，因此對(duì)X 射線的衰減作用差異也較小。

（注：非金屬元素對(duì)X 射線衰減作用遠(yuǎn)小于金屬元素，且含量很少，計(jì)算平均原子序數(shù)時(shí)，忽略非金屬元素對(duì)平均原子序數(shù)的影響。）

由于物質(zhì)對(duì)X 射線的衰減作用，遵循射線強(qiáng)度指數(shù)衰減規(guī)律。射線透照檢測(cè)時(shí)，要想在相同射線能量和強(qiáng)度的前提下獲得黑度相同的底片，必須使得到達(dá)膠片的射線強(qiáng)度相同。

由式（1）可知，兩種不同的物質(zhì)和不同的厚度，必須有μm1T1＝μm2T2?？梢酝茖?dǎo)出哈氏合金對(duì)16Mn的射線透照等效系數(shù)Ψ＝T2／T1＝μm1／μm2＝1.54～1.61。如果考慮散射線的影響及不同厚度對(duì)散射比的影響，Ψ值可能還要更大。

2 透照等效系數(shù)測(cè)定結(jié)果與分析

試驗(yàn)對(duì)象1：C－276板材，厚度分別為8，10，14和18mm。

試驗(yàn)對(duì)象2：鋼板超聲波檢測(cè)用階梯試塊，材質(zhì)為20號(hào)鋼，階梯厚度分別為12，15，19，24，30，36和42mm（試驗(yàn)選用15／19，19／24，24／30和30／36mm 4組厚度組合）。（注：選用此階梯試塊原因，①化學(xué)成分與16Mn鍛件的化學(xué)成分相近，平均原子序數(shù)之間誤差很小，對(duì)射線的衰減特性差異?。虎陔A梯厚度有試驗(yàn)所用哈氏合金厚度的不足1.5倍到2倍以上，可以覆蓋理論分析獲得的射線透照等效系數(shù)的可能范圍。）

按JB／T 4730.2－2005標(biāo)準(zhǔn)AB級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)等級(jí)中關(guān)于曝光量的規(guī)定，選擇焦距為700mm，曝光量為15mA·min。根據(jù)上述不同材料對(duì)X 射線衰減特性的分析，選擇與C－276板材兩倍厚度相鄰的兩個(gè)臺(tái)階厚度（注：見鋼板超聲波檢測(cè)用階梯試塊），在相應(yīng)X 射線機(jī)的曝光曲線上，選擇合適的管電壓進(jìn)行透照曝光，如表1所示。

表1 X射線曝光曲線中透照厚度所對(duì)應(yīng)管電壓

為避免散射射線對(duì)膠片曝光的影響，透照時(shí)需要采取防散射射線措施：①膠片背面使用鉛板防護(hù)。②C－276板材試樣尺寸大于膠片尺寸。③階梯試塊尺寸小于膠片，露出試塊的膠片部分用鉛板遮擋防護(hù)。④防止邊蝕散射影響，階梯試塊臺(tái)階面朝上，平面與膠片接觸，減少臺(tái)階處散射射線對(duì)膠片感光的影響。

所得膠片經(jīng)暗室處理后，以測(cè)得的C－276底片黑度為基準(zhǔn)，測(cè)量階梯試塊底片上不同階梯厚度部位的黑度。如果有相同黑度的階梯，則取此厚度為等效厚度。如果沒有相同黑度值的階梯厚度，則測(cè)量階梯試塊底片上一個(gè)比C－276板材底片黑度高的值和一個(gè)比C－276板材底片黑度低的值，通過插值法求得相同黑度的等效厚度值，如表2所示。

表2 等效厚度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（厚度／黑度）

試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)厚度范圍內(nèi)，哈氏合金與低合金鋼16Mn的射線透照等效系數(shù)Ψ接近2，且隨著厚度的增加，Ψ值逐漸減小。隨著工件厚度的增加，所用的射線能量增加，工件對(duì)X 射線的衰減系數(shù)減小，散射比減小，最終導(dǎo)致兩種材料的射線透照等效系數(shù)隨厚度的增加而減小，如表3所示。

表3 等效厚度

3 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果及分析

由于結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性，兩種不同材料焊接時(shí)，常加工成等厚度對(duì)接形式如圖1所示。以厚度10mm 的工件為例，C－276材料與16Mn材料厚度相同，由于射線透照等效系數(shù)Ψ等于2，透照10mm 的C－276工件需要相當(dāng)于20 mm 厚 的16Mn工件的透照條件，該工件等同于10與20mm 的同種16Mn材料對(duì)接，厚度差遠(yuǎn)超常規(guī)射線檢測(cè)質(zhì)量控制范圍所允許的厚度差（透照厚度比Ks不大于1.4）。該工件的透照應(yīng)采取大厚度比工件透照時(shí)相應(yīng)技術(shù)措施。

圖1 工件結(jié)構(gòu)

大厚度比工件透照可采取的措施：提高管電壓、雙膠片法和補(bǔ)償法等。

提高管電壓法：選擇管電壓首先要考慮不能超過標(biāo)準(zhǔn)JB／T 4730.2－2005關(guān)于不同透照厚度允許的X 射線最高管電壓的規(guī)定，其次考慮厚度寬容度的要求。對(duì)于圖1的工件，透照厚度為20mm 且厚度差較大時(shí)，允許的最高管電壓為330kV。要將工件不同厚度的兩部分的黑度D 均控制在標(biāo)準(zhǔn)JB／T 4730.2－2005規(guī)定的2.0～4.0的范圍內(nèi)；根據(jù)膠片特性曲線如圖2 所示，可知，D1＝4.0 與D2＝2.0對(duì)應(yīng)的曝光量比值為2；查閱所用射線機(jī)的曝光曲線如圖3所示可知，透照厚度相差一倍的兩工件所得黑度相同且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求所需曝光量的比值最小為4，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)黑度控制的曝光量比值2。由此可見，提高管電壓的方法不能使用。

異速雙膠片技術(shù)，由于找到在有效黑度范圍內(nèi)曝光量有足夠多重疊的兩種膠片較困難。而同速比膠片技術(shù)，要將底片黑度D控制在1.3～4.0范圍內(nèi)，查膠片特性曲線可知兩黑度對(duì)應(yīng)的曝光量比值為3.2，還是小于所用射線機(jī)透照大厚度比工件所能提供的曝光量比值4。由此可見，雙膠片技術(shù)也不能使用。

采用厚度補(bǔ)償技術(shù)。根據(jù)圖1中工件的實(shí)際厚度為10mm，由于材質(zhì)衰減系數(shù)差異原因，導(dǎo)致兩種等厚度異種材質(zhì)工件有相當(dāng)于10mm 的厚度差；考慮焊接方法及焊接余高等因素，制作了如圖4所示的厚度補(bǔ)償塊。厚度補(bǔ)償塊不同厚度過渡部位用砂輪機(jī)修磨圓滑，然后彎制成與工件曲率相近的弧形后緊貼工件放置進(jìn)行厚度補(bǔ)償。此時(shí)焊接接頭不同部位有效透照范圍的透照厚度比Ks控制在了1.4以內(nèi)。透照所得底片有效評(píng)定區(qū)的黑度控制在2.3～3.5的范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)JB／T 4730.2－2005的規(guī)定。

圖4 厚度補(bǔ)償塊示意圖

4 結(jié)論

通過對(duì)哈氏合金（C－176）與16Mn兩種材料對(duì)X 射線衰減特性的分析，初步得出兩種材料射線透照等效系數(shù)Ψ＝1.54～1.61，綜合考慮散射線的影響及不同厚度對(duì)散射比的影響，Ψ 值可能還要更大。

根據(jù)兩種材料的射線透照等效系數(shù)，選擇合適的透照條件，對(duì)兩種材料的射線透照等效系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明兩種材料，在試驗(yàn)的厚度范圍和射線能量范圍內(nèi)的透照等效系數(shù)接近于2，且隨著工件厚度的增加而減小。

實(shí)際工件屬于大厚度比試件，射線透照檢測(cè)采取厚度補(bǔ)償技術(shù)特殊措施。根據(jù)射線透照等效系數(shù)，制作合適的厚度補(bǔ)償塊用于實(shí)際工件的射線透照檢測(cè)，射線底片黑度得到很好的控制，全部符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

［1］ 強(qiáng)天鵬.射線檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007（4）：18－20，120.

［2］ 2010ASME Boiler and Pressure Vessels Code SectionⅡ：Materials［S］.

［3］ NB／T 47008－2010 承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件［S］.